Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)關(guān)鍵特性研究.pdf

1、隨著離岸深水工程技術(shù)的不斷發(fā)展，Spar平臺(tái)在深海油氣開采中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。我國油氣開采進(jìn)軍深海領(lǐng)域，亟待先進(jìn)的海洋開發(fā)技術(shù)來支持，Spar平臺(tái)這種深水和超深水海域中極具競爭力的平臺(tái)類型，必將在不遠(yuǎn)的將來成為我國深海開發(fā)的重要工具。
　　 相對于其排水量來說，Spar平臺(tái)水線面小，重心低，這使得Spar平臺(tái)擁有極好的穩(wěn)性，并且對波浪激勵(lì)具有較小的響應(yīng)，這些優(yōu)良性能使得Spar平臺(tái)很快得到了業(yè)界的認(rèn)可并進(jìn)入繁榮發(fā)展的時(shí)代。

2、但是與其它類型的海洋平臺(tái)相比，其特殊的深吃水立柱式結(jié)構(gòu)容易引起來流作用下結(jié)構(gòu)后方的旋渦脫落，從而導(dǎo)致渦激運(yùn)動(dòng)。所有的Spar平臺(tái)，包括ClassicSpar，TrussSpar，CellSpar等，在一定的海洋環(huán)境條件下都可能發(fā)生渦激運(yùn)動(dòng)。在Spar上工作的人員如果長期受到渦激運(yùn)動(dòng)的影響，很容易疲勞和影響健康；長時(shí)間持續(xù)的渦激運(yùn)動(dòng)可能引起立管損壞、錨泊系統(tǒng)疲勞、甚至平臺(tái)停止作業(yè)，因此在立管及錨泊系統(tǒng)的強(qiáng)度和疲勞特性設(shè)計(jì)過程中，以及在平臺(tái)

3、安全性方面，都必須充分考慮到渦激運(yùn)動(dòng)的影響。
　　 Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)研究是目前海洋工程學(xué)科的前沿課題，是我國南海油氣開采戰(zhàn)略中的重要課題，也是國際上方興未艾的研究熱點(diǎn)。本論文在國家863計(jì)劃的支持下，以Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵特性為主要研究內(nèi)容，通過理論分析、CFD計(jì)算和模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，從渦激運(yùn)動(dòng)發(fā)生機(jī)理、關(guān)鍵特性、抑制方法等多方面尋找突破口，探索適用于Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)和抑制的數(shù)值和試驗(yàn)方法，對Spar平臺(tái)渦

4、激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行系統(tǒng)深入的研究，在鎖定現(xiàn)象、高Re數(shù)下渦脫落特征、系泊系統(tǒng)的非線性特征、多柱式主體減渦機(jī)制、波流聯(lián)合作用下的渦激運(yùn)動(dòng)研究等方面進(jìn)行了新的探索。
　　 論文第一章介紹了Spar平臺(tái)的誕生和發(fā)展過程、目前在國際范圍內(nèi)的應(yīng)用及研究情況，并對三代主要Spar平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力特征進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和闡述，進(jìn)而介紹了Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)問題的概況，并分別從容易引起渦激運(yùn)動(dòng)的海洋環(huán)境條件、渦激運(yùn)動(dòng)的原始激勵(lì)及主導(dǎo)運(yùn)動(dòng)、影響因

5、素和特征參數(shù)等方面對渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的基本情況進(jìn)行了闡述，總結(jié)歸納了目前國際上渦激運(yùn)動(dòng)研究相關(guān)進(jìn)展、渦激運(yùn)動(dòng)研究及預(yù)報(bào)的主要方法，以及渦激運(yùn)動(dòng)研究的熱點(diǎn)、難點(diǎn)、目前研究中所存在的不足、面臨的問題和目前研究發(fā)展的方向，最后介紹了本文研究工作的意義、主要研究內(nèi)容和研究方法，并提出了論文的創(chuàng)新性。
　　 渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象涉及到流體力學(xué)中實(shí)際流體繞流物型時(shí)所產(chǎn)生的很多問題，如速度和壓強(qiáng)分布、邊界層分離現(xiàn)象、繞流阻力與升力等等。深入研究渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)

6、象的機(jī)理及本質(zhì)特征，必須建立在流體力學(xué)基礎(chǔ)理論之上。本文第二章就渦激運(yùn)動(dòng)問題所涉及的流體物理性質(zhì)、流體力學(xué)理論和數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了討論，并總結(jié)分析了圓柱繞流問題的一些經(jīng)典結(jié)論，為以后章節(jié)的數(shù)值計(jì)算和物理試驗(yàn)研究奠定了理論基礎(chǔ)。同時(shí)，對國際上研究圓柱渦激振動(dòng)的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄟM(jìn)行了一些介紹，并對其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。
　　 渦激運(yùn)動(dòng)之所以成為一種十分復(fù)雜的現(xiàn)象，首先歸因于引起渦激運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制背后隱藏著復(fù)雜的流體力學(xué)機(jī)理。因此在進(jìn)行實(shí)際

7、Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)研究之前，對低質(zhì)量比浮式柱體在來流中的瀉渦情況、受力情況等重要特征進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)性研究是十分必要的，這有助于進(jìn)一步深層次理解和掌握渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象背后的機(jī)理和本質(zhì)。本文第三章主要從機(jī)理方面對研究渦激運(yùn)動(dòng)的流體激勵(lì)、尾流流場、響應(yīng)特征等進(jìn)行了較為深入的探索，采用直接模擬流體力的CFD方法，結(jié)合模型試驗(yàn)，去除了海洋環(huán)境、平臺(tái)具體結(jié)構(gòu)、平臺(tái)深水錨泊系統(tǒng)等外部復(fù)雜因素的影響，對低質(zhì)量比、低長徑比的較大尺度圓柱在均勻流中的繞流情

8、況及渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征進(jìn)行了模擬和研究。圓柱特征參數(shù)的確定以典型TrussSpar主尺度為參考，可視為TrussSpar主體硬艙部分的1:100縮尺比模型。研究了固定圓柱繞流的邊界層分離情況、渦的形成和脫落情況、尾流區(qū)流場結(jié)構(gòu)情況，對作用在圓柱上的包括升力和拖曳力在內(nèi)的流體力進(jìn)行了測量、計(jì)算和分析，從而對旋渦脫落所引起的流體激勵(lì)特征進(jìn)行研究；研究了強(qiáng)迫運(yùn)動(dòng)幅值及頻率對圓柱受力的影響，研究流固耦合系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)物對流體的反作用機(jī)制，從根本性的渦

9、脫激勵(lì)入手，掌握引起渦激運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力特征；考慮渦激運(yùn)動(dòng)中的流固耦合效應(yīng)，對流場和結(jié)構(gòu)物相互作用的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，研究了不同來流條件、不同系泊情況下圓柱的渦激運(yùn)動(dòng)情況，分析了鎖定現(xiàn)象的發(fā)生機(jī)理和規(guī)律；研究了螺旋式側(cè)板的減渦機(jī)理；特別地，在試驗(yàn)過程中通過一組簡單有效的流場可視化系統(tǒng)，對不同情況下圓柱周圍的流場進(jìn)行了觀測，通過更直觀、更有說服力的試驗(yàn)觀測結(jié)果對數(shù)值模擬所得到的流場進(jìn)行了驗(yàn)證，進(jìn)一步加深了對渦激運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)和理解。

10、　　 第四章在通過簡單浮式圓柱進(jìn)行渦激運(yùn)動(dòng)機(jī)理性研究的基礎(chǔ)上，對Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。與上一章研究的簡單圓柱不同，實(shí)際作業(yè)條件下的Spar平臺(tái)在洋流中的渦激運(yùn)動(dòng)受到很多因素的影響，其中包括海洋環(huán)境條件因素、平臺(tái)自身結(jié)構(gòu)及附屬物因素、深水錨泊系統(tǒng)特征等相關(guān)因素。本章以一種新形式的Spar平臺(tái)作為研究對象，對該平臺(tái)在沒有安裝減渦裝置的情況下進(jìn)行了渦激運(yùn)動(dòng)的預(yù)報(bào)，對其渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征進(jìn)行了研究和分析。多柱桁架式Spar平臺(tái)（Ce

11、ll-TrussSpar）是一種新的Spar平臺(tái)概念，該平臺(tái)融合ClassicSpar、TrussSpar以及CellSpar平臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，并且應(yīng)用了優(yōu)化的垂蕩板設(shè)計(jì)，目標(biāo)是使其在具有前面三代Spar平臺(tái)良好的運(yùn)動(dòng)性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善水動(dòng)力性能、降低建造難度和成本。相對于ClassicSpar、TrussSpar、CellSpar等平臺(tái)形式，Cell-TrussSpar在結(jié)構(gòu)形式上有其自身的特征，研究中充分考慮了這一特征，對其建立

12、適當(dāng)?shù)腃FD計(jì)算模型，并制作了精細(xì)的物理模型，對平臺(tái)的主體結(jié)構(gòu)、慣性特征進(jìn)行了模擬。對于平臺(tái)的系泊系統(tǒng)，在數(shù)值模擬過程中，對系泊系統(tǒng)橫蕩、縱蕩兩個(gè)水平方向的剛度曲線進(jìn)行了擬合，并將擬合得到的剛度表達(dá)式代入渦激運(yùn)動(dòng)微分方程求解程序，采用龍格.庫塔方法對渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行求解；在模型試驗(yàn)過程中，采用水深截?cái)嘞挡聪到y(tǒng)，模擬了平臺(tái)系泊的實(shí)際分布及剛度特征。探索了颶風(fēng)慣性流、環(huán)流等具有不同流速剖面特征的來流條件的計(jì)算及模擬方法。研究得到了該平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)

13、的響應(yīng)特征和關(guān)鍵性參數(shù)，為進(jìn)一步的渦激運(yùn)動(dòng)抑制研究奠定了基礎(chǔ)。
　　 渦激運(yùn)動(dòng)的抑制是渦激運(yùn)動(dòng)研究中的重要方面。Spar平臺(tái)一般在硬艙部分安裝螺旋狀的減渦側(cè)板，用于抑制平臺(tái)在來流中的渦激運(yùn)動(dòng)。本文第三章中對螺旋式減渦側(cè)板的作用原理進(jìn)行了研究。試驗(yàn)和實(shí)測數(shù)據(jù)表明，這種螺旋式減渦側(cè)板對于抑制平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)效果比較明顯，是目前工程界普遍采用并認(rèn)可、實(shí)用性最強(qiáng)的減渦方式。對于目前處于概念設(shè)計(jì)階段的新型的Cell-TrussSpar平臺(tái)來

14、說，減渦側(cè)板的設(shè)計(jì)工作也是抑制平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)、優(yōu)化其水動(dòng)力性能的重要方面。第五章在研究掌握了該Spar平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了渦激運(yùn)動(dòng)的抑制方法，對該Spar平臺(tái)的螺旋式減渦側(cè)板進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究。由于Cell-TrussSpar平臺(tái)在平臺(tái)型式上與以前三代Spar平臺(tái)相比，有著鮮明的自身特征，特別是由于上部硬艙的特殊結(jié)構(gòu)形式，使得平臺(tái)主體并不像ClassicSpar和TrussSpar那樣構(gòu)成規(guī)則的圓柱體，又不完全同于

15、CellSpar平臺(tái)的主體，因此針對Cell-TrussSpar平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了具體的研究，提出適合于該平臺(tái)的減渦側(cè)板結(jié)構(gòu)形式，通過數(shù)值計(jì)算，模擬了側(cè)板附近的流場變化情況，以及平臺(tái)在安裝側(cè)板后的受力情況和旋渦破碎情況，最后通過數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)相互結(jié)合，對側(cè)板的減渦效率、安裝側(cè)板后平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)性能等進(jìn)行了研究。
　　 在實(shí)際的海洋環(huán)境條件下，海洋平臺(tái)所承受的往往是風(fēng)浪流的共同作用。Spar平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)是由流的作用引起

16、并決定的，但是在實(shí)際海況下，渦激運(yùn)動(dòng)往往是和風(fēng)浪流作用所引起的其他水動(dòng)力響應(yīng)共同發(fā)生并相互影響的，因此討論平臺(tái)在實(shí)際海況中的渦激運(yùn)動(dòng)，特別是波浪的作用對渦激運(yùn)動(dòng)的影響，對進(jìn)一步了解和掌握渦激運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)特征，從而在實(shí)踐中對Spar平臺(tái)在實(shí)際海況下的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究和預(yù)報(bào)具有重要的意義，對平臺(tái)的設(shè)計(jì)安裝、現(xiàn)場作業(yè)等都具有指導(dǎo)性的意義。波浪在渦激運(yùn)動(dòng)中的影響尤為重要。在波浪和流的共同作用下，波浪運(yùn)動(dòng)中水質(zhì)點(diǎn)的軌圓運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致平臺(tái)前后都有旋渦脫落

17、，使渦激運(yùn)動(dòng)更為復(fù)雜。第六章通過水動(dòng)力模型試驗(yàn)的方法對波流聯(lián)合作用條件下波浪對平臺(tái)渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響、平臺(tái)在實(shí)際海洋環(huán)境下的渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)特征等方面進(jìn)行了研究。分別從規(guī)則波和不規(guī)則波兩個(gè)方面對波流交互作用入手進(jìn)行研究，在規(guī)則波方面，考慮三種不同波高、不同周期的規(guī)則波，討論了規(guī)則波參數(shù)對渦激運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響；在不規(guī)則波方面，分別以墨西哥灣和中國南海為預(yù)計(jì)作業(yè)地點(diǎn)，考慮了兩種典型的波流聯(lián)合作用極限海況，對平臺(tái)的渦激運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究和分析，并對相應(yīng)